Пристрій виміру і реєстрації кутів нахилу і прискорень рухомих обєктів (стр. 2 из 5)

Таблиця 1.1 – Технічні характеристики акселерометрів Analog Devices

Модель акселерометра	ADXL103	ADXL204	ADXL213	ADXL322	ADXL202
Кількість осей	1	2	2	2	2
Діапазон вимірювань, g	±1,7	±1,7	±1,2	±2	±2
Тип вихідного сигналу	Аналоговий	Аналоговий	ШІМ	Аналоговий	ШіМ
Чуттєвість	1000 mV/g	620 mV/g	30 %/g	420 mV/g	12.5 %/g
Нелінійність шкали, % от FS	0,5 – 2,5	0,5 – 2,5	0,5	0,2	0,2
Поперечна чуттєвість, %	2 – 5	2 – 5	2	2	2
Температурний дрейф нуля, mg/°C	0,1	0,2	0,25	0,5	2
Температурний дрейф чуттєвості, % від величини виміру	0,2	0,3	0,3	0,4	0,5
Щільність шумів, м g/√Гц	110	170	160	220	200
Споживчий струм, мА	0,7	0,5	0,7	0,5	0,6

Розглянемо можливість реалізації датчика кута нахилу, виконаного на базі двохосьового інтегрального акселерометра ADXL202, виробленого фірмою Analog Devices, а також дослідимо його характеристики.

У розглянутих датчиках застосовується інтегральний акселерометр ADXL202. Даний акселерометр дозволяє вимірювати лінійне прискорення по двох взаємно перпендикулярних осях, знаходяться в площині кристала. Таким чином, вимірюючи величину проекції сили тяжіння (прискорення вільного падіння) на осі акселерометра, можна визначити величину кута нахилу об'єкта відносно площини землі.

Вихідним сигналом акселерометра ADXL202 є імпульси, відносна тривалість яких пропорційна прискоренню (ШІМ - сигнал). Такий тип виходу забезпечує підвищену перешкодостійкість, передачу сигналу по одній лінії і прийом його будь-яким мікроконтролером, що має таймер.

Функціональна схема датчика кута нахилу, реалізованого на акселерометрі ADXL 202, показано на рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 – Функціональна схема датчика кута нахилу ДУН-01

З виходів акселерометра Xout і Yout широтно-імпульсний сигнал, пройшовши через фільтр низьких частот (ФНЧ), надходить на дискретні входи мікроконтролера ADuC814 Т/С0 і Т/С1 (рис. 1.1). Мікроконтролер вимірює тривалість імпульсу ШІМ-сигналу, а також його період, і, з допомогою відповідних алгебраїчних та тригонометричних перетворень, визначає поточний кут нахилу акселерометра відносно площини землі. Надалі цей сигнал у форматі інтерфейсу RS-232 надходить в комп'ютер.

Шум, що міститься у вихідному сигналі акселерометра, визначає роздільну здатність пристрою, що є критичним при визначенні малих кутів нахилу. Ліміт дозвіл в основному визначається рівнем шуму вимірювання, який включає зовнішній фоновий шум і, власне, шум датчика. Рівень шуму безпосередньо пов'язаний з шириною смуги пропускання датчика. Зменшення смуги пропускання шляхом включення ФНЧ на виході датчика призводить до зниження рівня шуму. Це покращує відношення сигнал / шум і збільшує роздільну здатність, проте вносить амплітудні і фазові частотні спотворення. Двовісні датчики ADXL202 мають висновки для підключення двох зовнішніх конденсаторів, що утворюють з двома внутрішніми резисторами по 32 кОм два пасивних ФНЧ першого порядку.

Комплекс має у своєму складі дві функціональні складові – програмну та апаратну. В свою чергу, кожна з цих компонент також складається з двох частин: мікроконтролера та персонального комп’ютера (ПК). Загальна структура ПАК зображена на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Структура ПАК

Мікроконтронтролерний модуль представляє собою дві з’єднані між собою монтажні плати, на яких знаходяться (рис. 2):

· мікроконтролер AT91SAM7S256 (256KB FLASH, 64KB SRAM, 2 x USART, 1 x UART DBGU, 1 x USB device, 3 x 16-bit timers, 4 x PWM, 8ch x 10-bit ADC, SPI, TWI, 32 x i/o pins, 55 MHz, QFP 64) з вбудованими периферійними модулями (для нашої задачі використовуються аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) та універсальний асинхронний прийомопередавач (УАПП));

· акселерометр ADXL204;

· кварцовий резонатор на частоту 18,432 МГц;

· інтерфейс RS-232 (мікросхема MAX232CPE та зовнішній роз’єм );

· гніздо живлення ПАК від зарядного блока AC-2E до мобільних телефонів NOKIA;

· зовнішній роз’єм для програмування та налагодження.

Загальний вигляд мікроконтролерного модуля наведено на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 – Структура мікроконтролерного модуля

Загальний вигляд мікроконтролерного модуля

До складу даного мікроконтролерного модуля входять:

1 – гніздо живлення;

2 – кварцовий резонатор;

3 – акселерометр ADXL204;

4 – інтерфейс програматора;

5 – мікросхема мікроконтролера AT91SAM7S256;

6 – мікросхема MAX232CPE інтерфейсу RS-232;

7 – роз’єм інтерфейсу RS-232.

Як датчик прискорення вибрано оптимальний, з точки зору співвідношення ціна–якість–доступність, двоканальний акселерометр з аналоговим виходом ADXL204 фірми Analog Devices (рис. 1.4), яка є лідером з продаж акселерометрів та гіроскопів, контролюючи 40 % ринку датчиків для системи управління подушками безпеки (основний попит) та інших систем [3]. Analog Devices виготовляє одно- та двокоординатні акселерометри з діапазоном прискорень {1,5–250g}. Існують версії з комерційним (0…70 °C) та індустріальним (–40…125 °C) діапазонами робочих температур.

Рисунок 1.4 – Загальний вигляд експериментального монтажу акселерометра ADXL204

Відповідно до рисунку 1.4 цифри відповідають наступним даним:

1 – мікросхема мікроконтролера AT91SAM7S256;

2 – конденсатор фільтра живлення (0,1мкФ);

3 – конденсатор фільтра Cx - 500Гц (0,01мкФ);

4 – конденсатор фільтра Cy - 50Гц (0,1мкФ);

5 – акселерометр ADXL204.

Розуміючи назріваючу необхідність у недорогому та надійному датчику прискорення, виробники випустили цілу серію цих приладів, типовим представником з яких і є обраний нами акселерометр ADXL204 [6–8]. Цей датчик випускається в мініатюрному корпусі LCC, вимірює прискорення за двома взаємно перпендикулярними напрямами, вектори яких лежать паралельно площині корпусу мікросхеми, і перетворюють їх в аналоговий вихідний сигнал, пропорційний величині прискорення на осях.

У повному діапазоні величини, що вимірюється +/-1,7g, акселерометр дозволяє досягти не лінійності перетворення в 0,2 % від повної шкали і витримує без пошкоджень ударні поштовхи та віброприскорення до 1000g.

До особливостей датчика можна віднести :

· двоосьовий вимірювач прискорення в одному корпусі;

· 5х5х2 мм надмініатюрний корпус;

· роздільна здатність на 60 Гц - 2 мg;

· низьке споживання струму: < 0.6 мА;

· прямий інтерфейс с недорогими мікроконтролерами;

· налаштування ширини полоси пропускання одним конденсатором;

· однополярне живлення від 3 до 5.25 В.

1.3 Існуючі пристрої, датчики, системи

Напівпровідникові акселерометри Моторола (або датчики прискорення) містять ємнісний чутливий елемент і інтегровану на кристалі вимірювальну ланцюг, виконану за КМОП технології (рис. 1.6, рис. 1.7).

Рисунок 1.6 – Напівпровідниковий акселерометр

Ємнісний чутливий елемент G-cell є герметичним. Він являє собою механічну структуру, виконану за допомогою напівпровідникового процесу з полікремнія. Диференціальний чутливий елемент має верхню і нижню нерухомі пластини і центральну пластину, закріплену за допомогою пружних елементів. Центральна пластина має сейсмомасою і може зміщуватися під впливом прискорення. Четверта пластина у складі чутливого елемента призначена для самотестування цілісності механічної та електричної частин датчика.

Вбудована вимірювальна c хема виконана на перемикаючих конденсаторах і містить інтегратор, підсилювач, ФНЧ, пристрій температурної компенсації, тактовий генератор.

Рис унок 1.7 – Функціональна схема датчика прискорення

Коли рухома пластина займає центральне положення, вихідний сигнал дорівнює половині напруги живлення. Вимірювальна ланцюг має логометричну структуру, так що початкове зміщення і чутливість датчика лінійним чином пов'язані з живильним напругою.

Рисунок 1.8 – Чуттєвий елемент датчика

Для того, щоб скористатися функцією самотестування датчика, необхідно подати високий логічний рівень на вхід "self-test". Тоді блок тестування прикладає калібрований потенціал до тестуючої пластині. Електричне поле при цьому зміщує центральну пластину на задану величину, і на виході датчика, в разі справності, з'являється сигнал заданого рівня.

Залежно від орієнтації чутливого елемента відносно корпусу, датчики прискорення можуть в якості робочої осі мати вісь Z, вісь X або вони можуть бути чутливими по двох осях XY (рис. 1.8).

Моторола пропонує акселерометри для вимірювання прискорень від 1,5 g до 250g, з пропускною здатністю до 400 Гц, що вимагають напруги живлення 5В і що випускаються в корпусах DIP, SOIC або в корпусі з одностороннім розташуванням висновків Wingback.

Крім використання в якості вимірників власне прискорення і вібрацій, акселерометри застосовуються також для визначення абсолютного кута нахилу. Якщо датчик прискорення розташований так, що його ось чутливості перпендикулярна до поверхні землі, вихідний сигнал відповідає прискорення вільного падіння. При зміні кута нахилу, вихідний сигнал зменшується відповідно до U ~ g * cos (alpha), де alpha - кут між віссю чутливості датчика і абсолютним вертикальним положенням.